2021 Fiscal Year Annual Research Report
Assembly of 2.5 Dimensional Integrated Structures
| Project Area | Science of 2.5 Dimensional Materials: Paradigm Shift of Materials Science Toward Future Social Innovation |
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| Project/Area Number |
21H05234
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
宮田 耕充 東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (80547555)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
町田 友樹 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (00376633)
松本 里香 東京工芸大学, 工学部, 教授 (30338248)
荒井 俊人 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 高分子・バイオ材料研究センター, 独立研究者 (40750980)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | ２.５次元物質 / 化学気相成長 / ファンデルワールス接合 / 自己組織化 / インターカレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度は、２.５次元集積構造の構築に関する以下の４項目に関する研究を推進した。
[1] 化学気相成長(CVD)と機能開拓：遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)のCVD成長および転写技術の開発を行った。具体的には、TMDCナノリボンネットワークの合成や、多層の面内ヘテロ構造の成長条件の最適化、ダイオード特性の予備的評価を行った。また、TMDC試料の積層化に向け、アクリル樹脂とTMDCの接着温度条件を検討し、加熱と冷却プロセスを導入することでTMDCの回収率が向上することを見出した。
[2] ファンデルワールス集積構造の構築と物性創発：マイクロドーム型のPVCポリマーを用いた原子層転写技術をそのメカニズムに立ち入りながら明らかにした。TMDCのサブバンド準位を利用した共鳴トンネル素子を実現した。ツイスト二層グラフェンへのトンネル伝導を用いて状態密度を実験的に決定した。
[3] 二次元ナノ空間を利用した新規2.5次元物質の創製：黒鉛へのインターカレーションが難しいNa、Mg、Sの多層グラフェンおよびグラファイトライクグラフェン（GLG）へのインターカレーションを試みた。大気不安定な試料のラマンスペクトルを大気非接触で測定する方法を確立した。また、Naの多層グラフェンへの高濃度インターカレーションやGLGへのインターカレーションを確認した。
[4] 有機分子膜転写技術の開発と原子層物質との複合化：望みの場所に分子膜を形成する技術の開発を進めた。製膜用ブランケットを適切に選択することで分子膜の一部を安定に保持し、転写製膜することに成功した。本手法は特にポリマー半導体の製膜に有効であり、これを用いて、急峻なスイッチングと高いバイアス耐性を示す有機トランジスタを作製した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定通り、２.５次元集積構造の構築に関する、化学気相成長、ファンデルワールス接合、自己組織化膜、インターカレーションの研究は順調に進展している。特に、本年度は、本学術変革領域内の共同研究を通じ、インターカレーションを利用した二層グラフェンの層間結合の研究、TMDCナノリボンネットワークの形成と電気伝導特性の評価、など複数の成果を論文として発表した。以上より、計画はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
[1] CVD成長と機能開拓：高濃度キャリアドープが可能な多層TMDCを利用し、面内接合型PNダイオードの作製し、その構造や電気伝導特性を明らかにする。また、CVD合成したTMDCをファンデルワールス積層し、高効率かつ複数のTMDCが積層したヘテロ構造の作製手法やそのデバイス化を進める。
[2] ファンデルワールス集積構造の構築と物性創発： PVCポリマーおよびElvaciteポリマーを用いた原子層転写技術を展開して、ファンデルワールス接合のひっくり返し技術を確立する。TMDCのサブバンド準位間共鳴トンネル効果を観測する。ツイストグラフェントンネル素子におけるツイスト角度の重要性を実証する。
[3] 二次元ナノ空間を利用した新規2.5次元物質の創製：前年度に引き続き、3次元物質のバルク黒鉛では難しいNa、Mg、S等のインターカレーションを、２次元物質である2層～多層グラフェンを用いて実現する。特に、インターカレーションの兆候が見られたNaに注力し、より大面積、多積層のグラフェン結晶へのインターカレーションを行う。また、グラファイトライクグラフェン等の黒鉛類似二次元物質をホストとしたインターカレーションを行い、生成物の物性評価や層間ナノ空間内の物質の状態観察等を通して、新規機能性物質の創製を目指す。
[4] 有機分子膜転写技術の開発と原子層物質との複合化：昨年度開発した分子膜転写技術を発展させ、分子の向きの自由度、すなわち極性を操ることで、電子・光機能の拡充を図る。具体的には、単分子薄膜を形成・積層化する技術を開発することで、人工的に極性結晶を作製し、その電子・光機能を開拓する。さらに、有機強誘電体の分子配向制御を行い、原子層物質と複合化することで、強誘電ゲートトランジスタなどデバイスの機能の拡充を目指す。
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